土壤不同镉浓度对玉米CT38生长及抗氧化酶活性的影响

惠俊爱，党志*

1. 仲恺农业工程学院园艺园林学院，广东 广州 510225；2. 华南理工大学，广东 广州 510331

土壤不同镉浓度对玉米CT38生长及抗氧化酶活性的影响

惠俊爱1,2，党志2*

1. 仲恺农业工程学院园艺园林学院，广东 广州 510225；2. 华南理工大学，广东 广州 510331

玉米（Zea mays L.）被认为是镉吸收强、生物量大的经济作物。采用盆栽实验研究镉胁迫对玉米CT38植株生长及抗氧化酶活性的影响。通过向土壤中添加不同浓度的镉，设定1、5、15、50、100 mg·kg-1共5个镉浓度，研究不同镉浓度长期处理下对玉米CT38生长发育的影响。结果表明：处理90 d时玉米株高在镉处理浓度15、50、100 mg·kg-1分别比对照下降了18.2%、56.1%、59.8%，鲜质量分别比对照下降了53.3%、66.9%、77.9%。镉胁迫下玉米植株叶中抗氧化酶系统的POD、CAT和APX活性变化规律存在共同点，随镉处理浓度升高，基本呈单峰曲线变化，SOD活性变化情况较复杂。处理90 d时，镉处理浓度为1、5、15、50、100 mg·kg-1时，玉米CT38叶片POD活性分别比同期对照下降了12.1%、49.8%、60%、64.9%、75.1%；APX活性分别下降了54.4%、58.9%、65.6%、79.5%、85.3%；CAT活性分别增加了12.5%、18.8%、31.3%、65.6%、143.8%。CAT活性在玉米生长发育阶段随镉浓度升高呈现增加趋势镉使玉米叶片内酶含量上升，可溶性蛋白总量增加，为玉米对抗镉胁迫提供生理基础，对抗镉胁迫影响，提高POD活性，加速玉米植株内过氧化物清除速度。在相对低的镉浓度作用下，玉米叶片CAT活性升高，抵抗低浓度镉胁迫条件下产生的过氧化氢，从而适应逆境环境。

镉胁迫；玉米；蛋白；酶系统

1 材料与方法

1.1 材料

试验所用土壤为水稻土，取自广东省广州市增城区。基本理化性质如下：pH6.42，有机质1.63%，总镉（Cadmium，Cd）含量0.32 mg·kg-1，N0.09%，速效P0.05%，速效K0.04%。土壤风干过2 mm筛，以溶液形式加入CdCl2·2.5H2O，镉浓度为1、5、15、50、100 mg·kg-1，以不加镉土壤作为对照（CK）。土壤加入镉溶液，充分混匀，保持持水量的70%平衡14 d后，风干，土壤重新磨碎混匀，装盆，每盆盛土3.0 kg。每盆施复合肥（N 15%，P 15%，K 15%）1 g。

本试验所用植物为玉米超甜38（CT38），种子购于广东省农科院，选取粒籽饱满完整的CT38种子进行催芽，催芽后每盆种植10粒，幼苗长至2 cm高时，间苗至每盆留3株。实验进行期间每天浇入适量水分使土壤含水量维持在田间持水量的65%～70%。定期观察并记录植物的生长状况，处理30、60和90 d时分别选取生长健壮的同一叶位（从顶部叶数第3片叶）功能叶进行各项指标的测定；植株株高、质量的测定于处理30、60、90 d时进行。

1.2 测定项目与方法

1.2.1 抗氧化酶活性测定

参照邹琦（2000）方法：

1）酶液的提取：称取0.5 g左右鲜样剪碎，加0.05 mol·L-1、pH7.8的磷酸缓冲液（内含1%的PVP）5.0 mL及少量石英砂，冰浴中研磨，12000 r·min-1，4 ℃下离心15 min，上清液定容至10 mL，上清液为酶提取液，用于可溶性蛋白含量及SOD、POD、CAT、APX活性的测定。

2）SOD、CAT、POD和APX活性测定：以反应抑制氮蓝四唑（NBT）光氧化还原50%的酶量为一个酶活力单位测定SOD，用Unit·mg-1表示；采用高锰酸钾滴定法测定CAT，以30 ℃下每克鲜质量样品每分钟内分解H2O2的毫克数为酶活力单位（μmol·g-1·min-1）；采用愈创木酚法测定POD，以ΔOD470 g-1·min-1表示酶活力单位。APX活性测定以记录1 min内290 nm下的光吸收值变化，根据ASA的摩尔消光系数为2.8 mmol·L-1·cm-1计算酶活性。

1.2.2 可溶性蛋白含量测定：

按张志良和瞿伟菁（2007）方法采用考马斯亮蓝染色法测定，并用牛血清白蛋白作标准曲线，测定可溶性蛋白质含量。

1.3 数据处理

采用MicrosoftExcel和SPSS软件，对数据进行统计分析。

图1 不同浓度镉胁迫时玉米植株株高（A），鲜质量（B）的变化Fig.1 The height and weight of corn under Cd stress

2 结果与分析

2.1 镉胁迫对玉米植株株高，鲜质量的影响

由图1可以看出，随着镉处理浓度的增加，玉米植株株高、鲜质量呈现逐渐下降趋势，特别是镉处理浓度在15、50、100 mg·kg-1时下降趋势更加显著。株高在处理90 d时镉处理浓度为15、50、100 mg·kg-1分别比同期对照下降了18.2%、56.1%、59.8%（图1A）；同时，玉米植株鲜重呈降低的趋势，处理90 d时镉处理浓度为5、15、50、100 mg·kg-1时分别比同期对照下降了31.7%、53.3%、66.9%、77.9%（图1B）。镉处理浓度更直观地先影响到玉米鲜质量即生物量。

2.2 镉胁迫对可溶性蛋白含量的影响

可溶性蛋白在植物体内是多种活性酶的总称，

其含量高低反映叶活性、养分代谢及有机物合成能力等（刘素纯等，2006）。由图2A中我们可以看出，随生育期推进，可溶性蛋白含量呈单峰曲线变化趋势。镉胁迫处理使可溶性蛋白含量高于对照，不同浓度的镉处理表现不同，处理30 d时镉处理浓度为1、5、15、50、100 mg·kg-1时分别比同期对照增加了72.7%、54.5%、36.4%、9.1%、-9.1%，处理60 d时镉处理浓度为1、5、15、50、100 mg·kg-1

时分别比同期对照增加了15.4%、7.7%、0、-11.5%、-16.9%。后期高浓度镉处理的可溶性蛋白含量变化相对较为缓和，导致可溶性蛋白含量变化呈现了随镉处理浓度增加而升高的趋势。可溶性蛋白总量增加，为玉米对抗重金属胁迫提供生理基础，对抗重金属胁迫影响。

图2 不同镉浓度对叶片可溶性蛋白（A），SOD（B），POD（C），CAT（D）及APX（E）活性的影响Fig.2 The effect of Cadmium on soluble protein content (A), activity of SOD(B),POD (C), CAT(D), and APX(E) of leaves

2.3 镉胁迫对保护性酶系统的影响

生物细胞膜发生膜脂过氧化的一个主要机制是活性氧自由基诱发膜脂不饱和脂肪酸发生连锁的过氧化反应，使脂肪酸发生降解，产生脂质过氧化物（李兆君等，2004）。在正常条件下，植物体内活性氧清除系统能有效地清除体内的活性氧自由基，从而使细胞免受伤害。但在逆境条件下，植物体内的活性氧自由基产生速度超过了植物清除活性氧的能力，便会引起伤害。据研究，植物体内由SOD、POD、CAT构成的保护酶系统可清除有害的体内活性氧，从而保护膜系统（付世景等，2007）。

2.3.1 镉胁迫对SOD活性的影响

超氧化物歧化酶（SOD）是植物体内保护酶系统3大酶类之一，SOD活性的强弱反映植物组织清除超氧化物的能力，又间接反映出植物所受胁迫强度，植物体内发生超氧化的强度（铁柏清等，2007）。本试验观察到镉胁迫下SOD活性随镉处理浓度升高而变化，处理30、90 d时，50、100 mg·kg-1处理下高于CK（图2B）。处理30 d时镉处理浓度为1、5、15、50、100 mg·kg-1时分别比同期对照增加了7.4%、4.9%、8.2%、60.7%、50.8%，处理90 d时镉处理浓度为1、5、15、50、100 mg·kg-1时分别比同期对照增加了-28.1%、-40.9%、-50.8%、15.9%、34.8%。

2.3.2 镉胁迫对POD活性的影响

过氧化物酶（POD）作为保护酶系统中的另一重要酶，主要作用是清除过氧化化物及过氧离子。POD的活性同样反映出植物清除过氧化物的能力，并从另一侧面显示出外界环境带给植物胁迫作用的高低（原海燕等，2007）。重金属镉胁迫的作用破坏了玉米自身的过氧物动态平衡（多立安等，2006），刺激植物体内酶保护系统，提高POD活性，加速玉米植株内过氧化物清除速度，以对抗重金属胁迫带来的大量过氧化物。在植物自身耐性范围内，重金属胁迫浓度越高，POD活性提高越大（图2C）。POD活性在处理30d时随镉处理浓度升高而下降处理30 d时镉处理浓度为1、5、15、50、100 mg·kg-1时分别比同期对照增加了10%、18.1%、22.5%、95.8%、171.25%；60 d随镉处理浓度升高而升高，处理60 d时镉处理浓度为1、5、15、50、100 mg·kg-1时分别比同期对照增加了0.9%、19.4%、32.1%、38.8%、52.4%。处理90 d时又下降，可能是长期受镉浓度的影响再加上叶片衰老，导致其活性低于CK。处理90 d时镉处理浓度为1、5、15、50、100 mg·kg-1时分别比同期对照下降了12.1%、49.8%、60%、64.9%、75.1%。

2.3.3 镉胁迫对CAT活性的影响

CAT活性随镉处理浓度升高而升高，且随处理时间的延长都高于CK（图2D）。过氧化氢酶（CAT）作为保护酶系统3大酶系之一，清除过氧化氢以保护组织免受伤害，其活性从侧面反映出胁迫导致的过氧化氢活性高低（巍海英等，2004）。处理30 d时镉处理浓度为1、5、15、50、100 mg·kg-1时分别比同期对照增加了18.2%、27.3%、45.5%、59.1%、95.5%，处理90 d时镉处理浓度为1、5、15、50、100 mg·kg-1时分别比同期对照增加了12.5%、18.8%、31.3%、65.6%、143.8%。

2.3.4 镉胁迫对APX活性的影响

抗坏血酸-谷胱甘肽循环的第一步反应是APX催化的以抗坏血酸为电子供体进行的H2O2还原[20]。镉处理下叶片O2-·产生速度加快，引起SOD活性增强H2O2必然增多，但CAT和APX因活性降低，不能有效清除H2O2而使H2O2含量升高。APX在处理10、20、30、60 d时各浓度处理下高于CK，且在60 d时其活性较强，达到最高值，90 d时低于CK。处理30 d时镉处理浓度为1、5、15、50、100 mg·kg-1时分别比同期对照增加了14.3%、38.6%、40.6%、48.6%、94.9%，处理90 d时镉处理浓度为1、5、15、50、100 mg·kg-1时分别比同期对照下降了54.4%、58.9%、65.6%、79.5%、85.3%（图2E）。

3 讨论

镉是一种极易被植物吸收的非必需元素。低浓度镉处理对某些富集植物的生长有一定的促进作用，而高浓度镉处理下，植物体需要消耗有效能量来保持细胞的正常功能从而出现生长速率减慢、植株矮小、叶片变黄、卷曲、褪绿等症状。当处于重金属胁迫时，植物体内活性氧产生和消除的平衡遭到破坏，有利于活性氧的积累，造成膜脂过氧化，导致植物生长异常。为了控制活性氧水平，植物体启动自身的保护系统—抗氧化系统，如抗氧化酶类CAT、SOD、POD和APX等能清除代谢产生的活性氧（李珊等，2007）。能在一定范围内及时清除重金属胁迫而产生的活性氧自由基和过氧化物，防比膜脂过氧化，以维持机体内自由基代谢的动态平衡。

本研究表明，随着镉浓度的升高，玉米根系和叶片中SOD、POD、CAT活性呈先升高后降低的趋势，与前人的研究结果相一致。玉米体内SOD、POD、CAT活性升高，清除活性氧的能力增强，这

符合植物对胁迫反应的典型防御特征，即当胁迫发生后，植物体就会采取各种措施，提高抗性以适应不良环境。但是随着胁迫浓度的增强和胁迫时间的延长，镉在植物体内积累量增加，对植物体造成的伤害加重，超过植物所能忍耐的极限，其防御措施也就相应地减弱，玉米体内SOD、POD、CAT活性显著降低。本实验的研究结果与Mobin等（2007）对芥菜（Brassica juncea）所作的研究一致。

植物中抗氧化酶对重金属胁迫的反应在植物种类和不同组织中的差异，可能是因为不同植物对重金属的耐性不同，也可能是因为重金属处理的时间及浓度的差异而致。低浓度镉胁迫下，SOD、POD在清除玉米叶片内活性氧起着重要作用，但是随着胁迫时间的延长，高浓度镉胁迫下APX活性升高幅度较低，活性氧清除能力减弱，活性氧大量积累，导致了严重的膜质过氧化伤害，植株生长显著受到抑制（图1A, B）。

4 结论

镉胁迫对玉米CT38生长产生明显影响，低浓度镉处理能促进玉米植株的生长，而高浓度镉处理对玉米的生长产生明显的抑制作用。高浓度镉处理打破了玉米体内活性氧的产生与清除动态平衡，玉米体内抗氧化酶活性显著降低，导致活性氧大量积累，引起严重的膜脂过氧化伤害，从而显著抑制了玉米植株的生长。而在较高Cd2+浓度下，玉米CT38可通过增加过氧化氢酶（CAT）活性、可溶性蛋白含量等来缓解镉对植物体的危害。

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Effects of different cadmium concentrations in soil on growth and antioxidant enzyme activities of maize CT38

HUI Jun ai1,2, DANG Zhi2*
1. Zhongkai University of Agriculture and Engineering, Guangzhou 510225, China；2. South China University of Technology, Guangzhou 510331, China

Maize (Zea mays L.) was considered to be the cadmium absorption strong, large biomass crops. The pot experiment was

cadmium; corn CT38; protein; enzyme system

S513.01

A

1674-5906（2014）05-0884-06

国家自然科学基金重点项目（40730741）；863项目（2007AA0610-01）；广东省自然科学基金团队项目（9351064101000001）；华南理工大学自然科学基金（E5090550）

惠俊爱（1978年生），女，讲师，博士，研究方向为逆境生理生化。E-mail: jahui78@126.com

*通信作者

2014-03-14

惠俊爱，党志. 土壤不同镉浓度对玉米CT38生长及抗氧化酶活性的影响[J]. 生态环境学报, 2014, 23(5): 884-889.

HUI Junʼai, DANG Zhi. Effects of different cadmium concentrations in soil on growth and antioxidant enzyme activities of maize CT38 [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2014, 23(5): 884-889.

目前重金属污染已经成为最严重的环境污染问题之一（李铭红等，2006）。镉是自然界中污染范围及生物毒性较大的重金属（任艳芳等，2009；张银秋等，2011；史静等，2013），并能通过食物链对人类及生态系统产生危害（URAGUCHI等，2009；WANG等，2008）。随着城市化进程的加快，车辆尾气及化工制造业等使城市及周边的土壤不同程度地受到镉的污染，生长在此土壤上的植物也会受到镉污染的影响（刘周莉等，2009）。植物在逆境生存时其植株内的抗氧化酶系统起着非常关键作用，植物抗氧化酶系统是植物清除体内活性氧毒害物质的一个主要途径，抗氧化酶系统是超氧化物歧化酶、过氧化物酶、过氧化氢酶等酶的统称（甘海峰等，2010）。一旦在植物体内形成过氧化物，它们即刻发挥作用，利用氧化还原作用将过氧化物转换为毒害较低或无害的物质（姜成等，2013）。植物体内的超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)和过氧化物酶(POD)是一类重要的抗氧化酶，在清除重金属等诱导产生的氧自由基和过氧化物、抑制膜脂过氧化、保护细胞免遭伤害等方面起着重要作用，可有效调节逆境对植株的胁迫效应（刘俊祥等，2011；刘英等，2011；夏红霞和朱启红，2013）。因此，研究重金属对植物酶系统方面的影响对于揭示植物的耐性机理至关重要。

甜玉米（Zea,mays.L.var.rugosa Bonaf），又称蔬菜玉米，超甜玉米是甜玉米中的一个品种，由于其含糖量高、适宜采收期长而得到广泛种植。广东作为甜玉米的主产区，珠三角地区的土壤多数受重金属的污染，通过前期的试验表明甜玉米能耐一定浓度镉胁迫。玉米长期生长在这种环境中其相关生长发育变化如何，还少有报道。本研究通过土培实验旨在从酶的变化角度来研究重金属胁迫下植物的响应，为重金属毒害的防止和重金属污染评价提供科学依据。探讨土壤-植物系统镉污染的预警机制，以期为我国农田土壤镉污染的治理以及农产品的安全保障提供科学依据。

conducted to study effects of cadmium stress on growth and antioxidant enzyme activity of maize CT38 plant. By adding different concentrations of cadmium in the soil, set 1, 5, 15, 50, 100 mg·kg-1, a total of 5 Cd concentration, to study the effects of different concentration of cadmium long-term treatment on corn growth and development of CT38. The results showed that, Maize plant height in the Cd concentration 15, 50, 100 mg·kg-1were decreased by 18.2%, 56.1%, 59.8%, fresh weight were decreased by 53.3%, 66.9%, 77.9% when dealing with 90 d. There were common points of maize leaf antioxidase system in POD, CAT, and APX activity change of Cd stress, with the Cd concentration increased, the basic was the single peak curve, the change of SOD activity was more complex. The treatment of 90 d, the Cd concentration was 1, 5, 15, 50, 100 mg·kg-1, POD activity in leaves of maize CT38 respectively over the same period decreased by 12.1%, 49.8%, 60%, 64.9%, 75.1%. APX activity were decreased by 54.4%, 58.9%, 65.6%, 79.5%, 85.3%. The activity of CAT were increased by 12.5%, 18.8%, 31.3%, 65.6%, 143.8%. The activity of CAT in maize growth stages increased cadmium content in maize leaves enzyme increased with cadmium concentration. Total soluble protein increased, provide the physiological basis for maize against cadmium stress, against the effects of cadmium stress. Increased POD activity, accelerated the corn plant peroxide scavenging rate. Cadmium concentrations in the role of relatively low, increased CAT activity of maize, resulting in resistance to low concentrations of cadmium stress conditions of hydrogen peroxide, so as to adapt to the stress environment.